Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника
Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника
Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
Сило<strong>в</strong>ая Электроника, № 4’2009<br />
Сило<strong>в</strong>ая элементная база<br />
сти (десятки и сотни кило<strong>в</strong>атт). В частности,<br />
компания Semikron использует популярную<br />
идеологию «ядра» для создания уни<strong>в</strong>ерсальных<br />
модулей упра<strong>в</strong>ления IGBT-модулями.<br />
Например, <strong>в</strong> драй<strong>в</strong>ере SKYPER32 заложена идея<br />
сопряжения IGBT-модуля с интерфейсной платой,<br />
устана<strong>в</strong>ли<strong>в</strong>аемой на его корпус [17]. Ядро<br />
SKYPER32 соста<strong>в</strong>ляют базо<strong>в</strong>ые узлы:<br />
• блок обработки сигнала с изолиро<strong>в</strong>анным<br />
интерфейсом;<br />
• блок защиты и мониторинга;<br />
• <strong>в</strong>ыходные каскады упра<strong>в</strong>ления изолиро<strong>в</strong>анными<br />
зат<strong>в</strong>орами IGBT;<br />
• <strong>в</strong>строенный DC/DC-преобразо<strong>в</strong>атель с <strong>в</strong>ыходными<br />
напряжениями (однополярное<br />
+15 В и д<strong>в</strong>уполярное +15/–7 В);<br />
Осно<strong>в</strong>ные параметры д<strong>в</strong>ухканального<br />
SKYPER32:<br />
• галь<strong>в</strong>аническая раз<strong>в</strong>язка сигнало<strong>в</strong> упра<strong>в</strong>ления<br />
с помощью импульсных трансформаторо<strong>в</strong><br />
(изоляция по стандарту EN50178PD2);<br />
• <strong>в</strong>ыходной пико<strong>в</strong>ый ток — до 15 А;<br />
• напряжение изоляции — 4 кВ;<br />
• <strong>в</strong>иды защит: от <strong>в</strong>ыхода ключа из насыщения<br />
— DESAT (desaturation); UVLO (Under<br />
Voltage Lock Out) — от снижения напряжения<br />
питания драй<strong>в</strong>ера; пода<strong>в</strong>ление коротких<br />
импульсо<strong>в</strong> помех; программируемое<br />
<strong>в</strong>ремя t dt* .<br />
Российская фирма «Электрум АВ» для упра<strong>в</strong>ления<br />
с<strong>в</strong>оими модулями предлагает драй<strong>в</strong>еры<br />
со следующим набором функций [16]:<br />
• галь<strong>в</strong>аническая (оптронная) <strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтная<br />
раз<strong>в</strong>язка сигнало<strong>в</strong> упра<strong>в</strong>ления и состояния;<br />
• контроль насыщения на коллекторе IGBT;<br />
• акти<strong>в</strong>ная защита от перенапряжений на транзисторе;<br />
• регулиро<strong>в</strong>ка <strong>в</strong>ремени <strong>в</strong>ключения и <strong>в</strong>ыключения<br />
транзистора;<br />
• контроль уро<strong>в</strong>ня питающих напряжений<br />
драй<strong>в</strong>ера;<br />
• пла<strong>в</strong>ное <strong>в</strong>ыключение транзистора с блокиро<strong>в</strong>кой<br />
упра<strong>в</strong>ления и другие функции.<br />
Раз<strong>в</strong>и<strong>в</strong>ая идеологию, заложенную <strong>в</strong> SKYPER32,<br />
компания Semikron неда<strong>в</strong>но разработала д<strong>в</strong>ухканальный<br />
драй<strong>в</strong>ер SKYPER52, предназначенный<br />
для упра<strong>в</strong>ления IGBT-модулями с напряжением<br />
до 1700 В на осно<strong>в</strong>е цифро<strong>в</strong>ого способа передачи<br />
данных [17]. Изолирующий барьер формируется<br />
посредст<strong>в</strong>ом трех импульсных трансформаторо<strong>в</strong>,<br />
обладающих очень малыми значениями<br />
паразитной емкости раз<strong>в</strong>язки (единицы пикофарад).<br />
Д<strong>в</strong>а трансформатора используются для<br />
передачи данных, а третий — для упра<strong>в</strong>ления<br />
<strong>в</strong>строенным DC/DC-преобразо<strong>в</strong>ателем, питающим<br />
<strong>в</strong>ыходные каскады драй<strong>в</strong>ера. Осно<strong>в</strong>ные<br />
параметры SKYPER52:<br />
• <strong>в</strong>ыходной пико<strong>в</strong>ый ток — до 50 А;<br />
• напряжение упра<strong>в</strong>ления зат<strong>в</strong>орами — 15 В;<br />
• <strong>в</strong>ыходная мощность — 9 Вт/канал (среднее<br />
значение);<br />
• максимальная рабочая частота —100 кГц;<br />
• мониторинг критического по<strong>в</strong>ышения частоты;<br />
• <strong>в</strong>иды защит: а) динамическая защита от перегрузки<br />
по току и КЗ с инди<strong>в</strong>идуальной<br />
настройкой и функцией intellectual turn-off;<br />
б) UVLO и другие (как <strong>в</strong> SKYPER32);<br />
www.power-e.ru<br />
• изолиро<strong>в</strong>анная передача сенсорных сигнало<strong>в</strong><br />
(например, температура IGBT-модуля);<br />
• цифро<strong>в</strong>ая настройка блока обработки сигнала<br />
ошибки;<br />
• диагностический CAN-интерфейс.<br />
Как <strong>в</strong>идно из <strong>в</strong>ышеизложенного, SKYPER52<br />
на деле предста<strong>в</strong>ляет собой <strong>в</strong>ысокоинтеллектуальный<br />
драй<strong>в</strong>ер, способный обеспечить<br />
надежную работу IGBT-модулей большой<br />
мощности <strong>в</strong> системах с цифро<strong>в</strong>ым упра<strong>в</strong>лением.<br />
IPM для импульсных ИВЭ<br />
Фирмы Ixys [9] и Infineon [10] разработали<br />
и <strong>в</strong>ыпускают осно<strong>в</strong>ные IPM для сете<strong>в</strong>ых ИВЭ<br />
(AC/DC-преобразо<strong>в</strong>ателей): узлы акти<strong>в</strong>ного<br />
корректора коэффициента мощности (ККМ/<br />
PFC) и работающего на него ин<strong>в</strong>ертора с использо<strong>в</strong>анием<br />
MOSFET-ключей. В работе а<strong>в</strong>торо<strong>в</strong><br />
[18] при<strong>в</strong>еден пример схемы импульсного<br />
ИВЭ с <strong>в</strong>ыходной мощностью 1200 Вт (27 В/45 А)<br />
с применением интегриро<strong>в</strong>анных компоненто<strong>в</strong>,<br />
<strong>в</strong> том числе IPM фирмы Ixys. В частности,<br />
применены ККМ-модуль типа VUM33-05N<br />
и MOSFET-модуль однотактного прямоходо<strong>в</strong>ого<br />
преобразо<strong>в</strong>ателя напряжения по схеме<br />
«косого» моста типа VHM40-06P1. Параметры<br />
VUM33-05N следующие: однофазный <strong>в</strong>ыпрямительный<br />
мост (U RRM = 800 В) и чоппер (MOSFET<br />
Boost): U DSS = 600 В, I D = 47 А, R DSon = 0,12 Ом;<br />
диод — U RRM = 600 В. Параметры VHM40-<br />
06P1 (CoolMOS) для каждого из 2-х MOSFET:<br />
U DSS = 600 В, I D = 38 А, R DSon = 0,07 Ом;<br />
t r /t f ) = 95/10 нс. У <strong>в</strong>строенных антипараллельных<br />
диодо<strong>в</strong>: U RRM = 600 В, I FМ = 18,5 А, t rr = 70 нс<br />
(ток 10 А).<br />
Фирма IR предлагает для построения ККМ<br />
но<strong>в</strong>ый интеллектуальный драй<strong>в</strong>ер IR1150S [12],<br />
который поз<strong>в</strong>оляет созда<strong>в</strong>ать ККМ с мощностью<br />
от 75 Вт до 1 кВт (<strong>в</strong> некоторых случаях<br />
до 4 кВт) при значении КМ (cosϕ) не менее<br />
0,99. Драй<strong>в</strong>ер может работать на частотах<br />
50–200 кГц, а его <strong>в</strong>ыходной (пико<strong>в</strong>ый) ток —<br />
до 1,5 А. В комплекте с этим драй<strong>в</strong>ером фирма,<br />
<strong>в</strong> за<strong>в</strong>исимости от мощности, рекомендует<br />
использо<strong>в</strong>ать:<br />
• бустерный диод типа 8ETX06, 15 ETX06<br />
и другие;<br />
• MOSFET типа IRFPS43N50K, IRFP460A<br />
и другие;<br />
• WARP/WARP2NPT IGBT типа IRGP35B60PD,<br />
IRGP50B60PD и другие.<br />
А<strong>в</strong>торы настоящей статьи, <strong>в</strong> с<strong>в</strong>ою очередь,<br />
предлагают для сете<strong>в</strong>ых ИВЭ применять три<br />
наиболее распространенных <strong>в</strong> настоящее <strong>в</strong>ремя<br />
типа схем, а именно:<br />
а) схема на осно<strong>в</strong>е однотактного обратноходо<strong>в</strong>ого<br />
преобразо<strong>в</strong>ателя (flyback DC/DC);<br />
б) схема однотактного прямоходо<strong>в</strong>ого преобразо<strong>в</strong>ателя<br />
(forward DC/DC) с д<strong>в</strong>умя<br />
одно<strong>в</strong>ременно коммутируемыми ключами<br />
(транзисторами);<br />
<strong>в</strong>) сд<strong>в</strong>оенный преобразо<strong>в</strong>атель по схеме (б),<br />
<strong>в</strong> котором ключи работают со сд<strong>в</strong>игом<br />
по фазе на 180° и имеют общий LCфильтр.<br />
При этом целесообразно ограничить количест<strong>в</strong>о<br />
SIPM <strong>в</strong> синтезируемых ИВЭ — не более<br />
четырех типо<strong>в</strong> [19, 20]. Некоторые типы SIPM<br />
применительно к мощному (400 Вт) ИВЭ а<strong>в</strong>торами<br />
теоретически уже проработаны [21].<br />
IPM для регулируемого электропри<strong>в</strong>ода<br />
Еще более быстрыми темпами растет применение<br />
IPM <strong>в</strong> системах электропри<strong>в</strong>ода. Во <strong>в</strong>сем<br />
мире ежегодно <strong>в</strong>ыпускается примерно 7 млн.<br />
электрод<strong>в</strong>игателей, они потребляют около<br />
70% общего количест<strong>в</strong>а произ<strong>в</strong>еденной электроэнергии.<br />
По оценкам специалисто<strong>в</strong> [22],<br />
сектор маломощного (приближенно до 4 кВт)<br />
электропри<strong>в</strong>ода занимает более поло<strong>в</strong>ины<br />
рынка промышленных электропри<strong>в</strong>одо<strong>в</strong> малой<br />
и средней (до 40 кВт) мощности. То же<br />
можно сказать и про при<strong>в</strong>оды быто<strong>в</strong>ой техники<br />
для холодильнико<strong>в</strong>, стиральных машин,<br />
кондиционеро<strong>в</strong>. Пока IPM имеют реальное<br />
<strong>в</strong>оплощение лишь <strong>в</strong> регулируемом промышленном<br />
электропри<strong>в</strong>оде, раз<strong>в</strong>и<strong>в</strong>ающемся наиболее<br />
быстрыми темпами. В последнее <strong>в</strong>ремя<br />
<strong>в</strong>ыпуск электрод<strong>в</strong>игателей переменного тока<br />
с интегриро<strong>в</strong>анными <strong>в</strong> них преобразо<strong>в</strong>ателями<br />
частоты сущест<strong>в</strong>енно <strong>в</strong>озрастает. Так, если<br />
<strong>в</strong> 1999 г. их <strong>в</strong>ыпустили порядка 40 тыс. штук<br />
(около $46 млн), то <strong>в</strong> 2006 г. их число <strong>в</strong>озросло<br />
примерно до 220 тыс. штук (около $195 млн.).<br />
По данным исследо<strong>в</strong>аний британского института<br />
IMS, доля частотно-регулируемых при<strong>в</strong>одо<strong>в</strong><br />
(ЧРП) соста<strong>в</strong>ляет до 50% миро<strong>в</strong>ого рынка<br />
сило<strong>в</strong>ой электроники [23].<br />
Фирма IR [12] предлагает IPM для электропри<strong>в</strong>одо<strong>в</strong><br />
малой мощности, <strong>в</strong> частности, для<br />
использо<strong>в</strong>ания <strong>в</strong> массо<strong>в</strong>ом промышленном<br />
электропри<strong>в</strong>оде и при<strong>в</strong>оде быто<strong>в</strong>ой техники.<br />
Предложены интеллектуальные сило<strong>в</strong>ые<br />
модули платформы PlugeN&Drive <strong>в</strong> серии<br />
IRAMxxUP60x — трехфазные ин<strong>в</strong>ерторы для<br />
упра<strong>в</strong>ления электропри<strong>в</strong>одом с мощностью<br />
от 600 до 2500 Вт, с параметрами IGBT:<br />
• IRAMS10UP60B: U CES = 600 В, I C = 10 А (25 °С) —<br />
для электропри<strong>в</strong>ода до 750 Вт;<br />
• IRAMY20UP60B: U CES = 600 В, I C = 20 А (25 °С) —<br />
для электропри<strong>в</strong>ода до 2500 Вт.<br />
Также предложены д<strong>в</strong>е <strong>в</strong>ерсии модулей –<br />
«А» и «В». Версия «А» использует трехфазный<br />
мост на IGBT: 6 кристалло<strong>в</strong> 600-<strong>в</strong>ольто<strong>в</strong>ых<br />
IGBT (NPT, 5-го поколения) и 6 обратно<br />
<strong>в</strong>ключенных диодо<strong>в</strong> с открытыми эмиттерами<br />
<strong>в</strong> нижних плечах. Версия «В» — та же структура,<br />
но с <strong>в</strong>ключением сило<strong>в</strong>ого шунта для<br />
контроля тока <strong>в</strong> нуле<strong>в</strong>ом про<strong>в</strong>оде. Для комплексного<br />
использо<strong>в</strong>ания этих IPM предложена<br />
платформа Imotion — интегриро<strong>в</strong>анная<br />
платформа для разработки цифро<strong>в</strong>ого сер<strong>в</strong>опри<strong>в</strong>ода<br />
на базе цифро<strong>в</strong>ых упра<strong>в</strong>ляющих<br />
схем серии IRMCKxxx и программного продукта<br />
ServoDriver. В частности, <strong>в</strong> этих схемах<br />
используется кристалл трехфазного драй<strong>в</strong>ера<br />
типа IR21365 <strong>в</strong> широком диапазоне частот<br />
ШИМ — до 20 кГц [24].<br />
Отметим <strong>в</strong>ажность концентрации усилий<br />
на перспекти<strong>в</strong>ных напра<strong>в</strong>лениях разработки<br />
<strong>в</strong>ысокоэффекти<strong>в</strong>ных IPM для решений но<strong>в</strong>ых<br />
задач <strong>в</strong> области регулируемого электропри<strong>в</strong>ода<br />
большой мощности. С этой целью фирма<br />
Semikron <strong>в</strong> 2004 г. объединила 9 научных<br />
центро<strong>в</strong> <strong>в</strong> Южной Корее, А<strong>в</strong>стралии, США,<br />
Франции, Англии и <strong>в</strong> других странах <strong>в</strong> глобальную<br />
дизайнерскую сеть. Гла<strong>в</strong>ная задача<br />
9
Change language